平穩(wěn)過程重修班

平穩(wěn)過程重修班第1頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1平穩(wěn)過程的概念

11.1.1嚴平穩(wěn)隨機過程及其數(shù)字特征

11.1.2寬平穩(wěn)隨機過程第2頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1平穩(wěn)過程的概念

在實際中,有相當(dāng)多的隨機過程,不僅它現(xiàn)在的狀態(tài),而且它過去的狀態(tài),都對未來狀態(tài)的發(fā)生有著很強的影響.如果過程的統(tǒng)計特性不隨時間的推移而變化,則稱之為平穩(wěn)隨機過程.用數(shù)學(xué)語言描述即為：11.1.1嚴平穩(wěn)過程及其數(shù)字特征第3頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1.1嚴平穩(wěn)過程的概念及數(shù)字特征第4頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月嚴平穩(wěn)的含義：過程的統(tǒng)計特性與所選取的時間起點無關(guān)。換句話說，整個過程的統(tǒng)計特征不隨時間的推移而變化。平穩(wěn)過程的參數(shù)集T,一般為:第5頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月下面來考慮嚴平穩(wěn)過程的數(shù)字特征即均值函數(shù)，均方值函數(shù)和方差函數(shù)為常數(shù)。

第6頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月于是下面考慮平穩(wěn)過程的自相關(guān)函數(shù)和自協(xié)方差函數(shù)第7頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

嚴平穩(wěn)過程的自相關(guān)函數(shù)及協(xié)方差函數(shù)只依賴于參數(shù)間距

而與起點無關(guān)。協(xié)方差函數(shù)可以表示為第8頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

平穩(wěn)過程數(shù)字特征的特點:(即不隨時間的推移而變化)。(3)協(xié)方差函數(shù)可以表示為第9頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月僅依賴

，而與t無關(guān)；11.1.2寬平穩(wěn)隨機過程第10頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月例11.1設(shè){Xn,n=0,±1,±2,…}是實的互不相關(guān)的隨機變量序列，且E(Xn)=0,D(Xn)=

2.討論隨機序列的平穩(wěn)性。解由于E(Xn)=0,D(Xn)=

2，而相關(guān)函數(shù)其中為整數(shù)，隨機序列的均值為常數(shù)，相關(guān)函數(shù)僅與有關(guān)，因此它是平穩(wěn)過程。第11頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月證明

由于其密度函數(shù)為：（常數(shù)）第12頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月例11.3解X(t)的均值函數(shù)為第14頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月而自相關(guān)函數(shù)第15頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月因為RX(

)僅與

有關(guān)，所以隨機相位周期過程是平穩(wěn)的。特別,隨機相位正弦波是平穩(wěn)的。第16頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月假設(shè)X(t)和Y(t)是平穩(wěn)相關(guān)過程,RX(

),RY(

)和RXY(

)分別是它們的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。

即平穩(wěn)過程的均方值可以由自相關(guān)函數(shù)，令

0得到，后面我們將指出RX(0)代表了平穩(wěn)過程的“平均功率”。自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)11.2平穩(wěn)過程相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)第17頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月這是因為相關(guān)函數(shù)具有對稱性。

依據(jù)這個性質(zhì)，在實際問題中只需計算或測量RX(

),RY(

)，RXY(

)和RYX(

)在

0的值。。注意互相關(guān)函數(shù)既不是奇函數(shù),也不是偶函數(shù),但滿足第18頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)3關(guān)于自相關(guān)函數(shù)和自協(xié)方差函數(shù)有不等式

對于平穩(wěn)過程X(t)，有代入上述不等式得：第19頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月類似的,可推得以下有關(guān)互相關(guān)函數(shù)和互協(xié)方差函數(shù)的不等式或?qū)f(xié)方差函數(shù)，不難得到相同的結(jié)論：第20頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月性質(zhì)4

設(shè)平穩(wěn)過程X(t)，若當(dāng)|

|時，過程的狀態(tài)X(t)與X(t

)相互獨立，則有：

這是因為：從物理意義上說，當(dāng)

增大時X(t)與X(t+

)之間相關(guān)性會減弱，在|

|的極限情況下，兩者相互獨立。第21頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

這一性質(zhì)很有趣，對于平穩(wěn)過程的相關(guān)函數(shù)RX(

)

，只要知道在

0處連續(xù)，就可以得出對任意

處都連續(xù)，這對于一般連續(xù)函數(shù)是不具備這樣的性質(zhì)的。第22頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月解

由性質(zhì)6得：例11.4

已知平穩(wěn)過程X(t)，當(dāng)

的絕對值充分大時，過程的狀態(tài)X(t)與X(t+

)相互獨立，其相關(guān)函數(shù)為：求X(t)的均值。第23頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月證明利用契比雪夫不等式有例11.5對于平穩(wěn)過程X(t)，有第24頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3各態(tài)歷經(jīng)性

11.3.1時間平均的概念11.3.2平穩(wěn)過程各態(tài)歷經(jīng)的定義11.3.3平穩(wěn)過程各態(tài)歷經(jīng)性的條件第25頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.1時間平均的概念1、積分

說明對于隨機過程的所有樣本函數(shù)來說,[a,b]上的積分未必全都存在。第26頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月在某些情形下，對于隨機過程的所有樣本函數(shù)來說，在[a,b]上的積分未必全都存在，此時可引入所謂均方意義下的積分，即考慮[a,b]內(nèi)的一組分點：我們就稱

Y為[a,b]上的均方積分。2、均方積分第27頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月自相關(guān)函數(shù)的二重積分第28頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3、時間均值和時間相關(guān)函數(shù)第29頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月例11.6

解第30頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論對于隨機相位正弦波,用時間平均和集平均（均值函數(shù)）分別算得的均值和自相關(guān)函數(shù)是相等的。這一特性并不是隨機相位正弦波所獨有的。第32頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.2各態(tài)歷經(jīng)性的概念

第33頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月例11.7設(shè)平穩(wěn)過程X(t)=Y，其中Y是隨機變量，D(Y)0研究它的各態(tài)歷經(jīng)性。解

E(X(t))=E(Y)=常數(shù)于是不是常數(shù)所以均值不具有各態(tài)歷經(jīng)性。第34頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月證明（常數(shù)）第35頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.3各態(tài)歷經(jīng)性的條件定理11.3(均值各態(tài)歷經(jīng)定理)第38頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月推論第39頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月定理11.2(自相關(guān)函數(shù)各態(tài)歷經(jīng)定理)說明第40頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月定理11.3以概率1成立的充要條件是定理11.4以概率1成立的充要條件是第41頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月各態(tài)歷經(jīng)定理的重要價值從理論上給出了如下保證:一個平穩(wěn)過程X(t),只要它滿足定理11.3和定理11.4,便可以根據(jù)“以概率1成立”的含義,從一次試驗所得到的樣本函數(shù)x(t)來確定出該過程的均值和自相關(guān)函數(shù),即和說明1第42頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月說明2如果試驗記錄x(t)只在時間區(qū)間[0,T]給出,則有下以無偏估計式在實際中一般不可能給出x(t)表達式,因而通常通過模擬方法或數(shù)字方法來測量或計算估計式的值。第43頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4平穩(wěn)隨機過程的功率譜密度11.4.1平穩(wěn)過程的功率譜密度概念

11.4.2功率譜密度的性質(zhì)11.4.3白噪聲過程第44頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4功率譜密度的概念11.4.1確定性信號函數(shù)的功率譜密度同時有傅立葉逆變換第45頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一般是復(fù)數(shù)量,其共軛函數(shù)x(t)的傅立葉變換等式:稱為x(t)的能量譜密度帕塞伐等式又可理解為總能量的譜表示式。第46頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4.2隨機信號過程的功率譜密度第47頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

11.4.3平穩(wěn)隨機過程X(t)的平均功率與功率譜密度第48頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月它是從頻率這個角度描述X(t)的統(tǒng)計規(guī)律的最主要的數(shù)字特征。第49頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月交換積分與均值的運算次序，注意到平穩(wěn)過程的均方值函數(shù)是常數(shù)，于是稱為平穩(wěn)過程X(t)的平均功率的譜表示式。第50頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月4、平穩(wěn)隨機過程X(t)功率譜密度的性質(zhì)(2)SX(

)和自相關(guān)函數(shù)RX(

)是一傅立葉變換對。維納—辛欽公式第51頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1234567自相關(guān)函數(shù)與譜密度對應(yīng)表第52頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月解

00第53頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月解

由前面例可知，此隨機過程是平穩(wěn)過程，且相關(guān)函數(shù)為：于是得X(t)的平均功率為：第54頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月例11.11解

由公式知自相關(guān)函數(shù)利用留數(shù)定理,可算得第55頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月均方值為第56頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4.3白噪聲定義11.4均

X(t)值為零,而譜密度SX()為正常數(shù),即的平穩(wěn)過程X(t)稱為白噪聲過程,簡稱白噪聲。其名出于白光具有均勻光譜的緣故。下面討論

白噪聲的自相關(guān)函數(shù)，為此需要定義-函數(shù)第57頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月具有下列性質(zhì)的函數(shù)稱為

函數(shù)

函數(shù)有一個非常重要的運算性質(zhì)，即對任何連續(xù)函數(shù)f(x),有：——篩選性所以

函數(shù)的傅立葉變換為：第58頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

由傅立葉反變換，可得

函數(shù)的傅立葉積分表達式為：或這說明

(

)函數(shù)與1構(gòu)成一傅立葉變換對。0110第59頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月說明1與2

(

)構(gòu)成一傅立葉變換對。即100同理可得：或相應(yīng)地有：第60頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月解

由于1與2

(

)構(gòu)成一傅立葉變換對。第61頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月00第62頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月解

第63頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月